前言(yan)
随着電(dian)子行業(ye)小型化(huà)多功能(néng)化發展(zhan)的趨勢(shì)，越來越(yuè)☎️多的多(duō)功能，體(ti)積小的(de)元件應(ying)用于在(zài)各種 産(chan)品上，例(li)如 QFN 元件(jiàn)和 LGA 元件(jiàn)。
QFN 是一種(zhong)無引腳(jiao)封裝，呈(chéng)正方形(xing)或矩形(xing)，封裝底(dǐ)部中🐉央(yang)位置有(you)一個大(da)面積裸(luǒ)露焊盤(pan)用來導(dao) 熱，通過(guò)大焊盤(pan)的封裝(zhuāng)外圍四(si)周焊盤(pán)導電實(shí)現電氣(qì)連結。由(yóu)于無引(yin)腳，貼裝(zhuang)占有面(miàn)積比 QFP 小(xiao)，高度 比(bǐ) QFP 低，加上(shàng)傑出的(de)電性能(neng)和熱性(xìng)能，這種(zhǒng)封⚽裝越(yuè)來越多(duo)地應用(yòng)于在電(dian)子行業(ye)。
QFN 封裝具(jù)有優異(yi)的熱性(xìng)能，主要(yao)是因爲(wèi)封裝底(dǐ)部有大(da)面積散(sàn)❗熱焊盤(pan)，爲了能(neng)有效地(dì)将熱量(liàng) 從芯片(piàn)傳導到(dao) PCB 上，PCB 底部(bu)必須設(she)計與之(zhi)相對應(ying)的散熱(rè)焊盤以(yi)及散熱(re)過👌孔，散(sàn)熱焊盤(pan)提 供了(le)可靠的(de)焊接面(miàn)積，過孔(kong)提供了(le)散熱途(tú)徑。因而(ér)，當芯片(pian)底部的(de)暴露焊(hàn)盤和 PCB 上(shàng)的熱 焊(hàn)盤進行(hang)焊接時(shí)，由于熱(rè)過孔和(he)大尺寸(cùn)焊盤上(shàng)錫膏❓中(zhōng)的氣體(tǐ)将會向(xiàng)外溢出(chū)，産生一(yi)定的氣(qì)體 孔，對(duì)于 smt 工藝(yi)而言，會(hui)産生較(jiào)大的空(kōng)洞，要想(xiǎng)消除這(zhe)些氣孔(kong)幾😍乎㊙️是(shi)不可能(neng)的，隻有(yǒu)将 氣孔(kong)減小到(dao)最低量(liang)。 LGA(land grid array)即在底(dǐ)面制作(zuo)有陣列(liè)狀态坦(tan)電極觸(chù)點的封(feng)裝，它的(de)外形與(yǔ) BGA 元🔴件非(fēi)常 相似(si)，由于它(tā)的焊盤(pán)尺寸比(bǐ) BGA 球直徑(jing)大 2～3 倍左(zuo)右，在空(kong)洞方面(miàn)同樣也(yě)很難控(kòng)制。并且(qie) 它與 QFN 元(yuán)件一樣(yang)，業界還(hái)沒有制(zhì)定相關(guan)的工藝(yi)标準，這(zhè)🛀🏻在一定(ding)程度上(shang)對電子(zi)加工行(hang)業造 成(chéng)了困擾(rǎo)。
本文通(tōng)過大量(liàng)實驗從(cong) 鋼網 優(you)化，爐溫(wen)優化以(yǐ)及預成(cheng)型焊片(piàn)來尋找(zhǎo)空洞的(de)解決方(fāng)案。
實驗(yàn)設計
在(zài)實驗中(zhōng)所采用(yong)的 PCB 爲闆(pan)厚 1.6mm 的鎳(niè)金闆， 上(shàng)的 QNF 散熱(rè)焊盤上(shang)共有 22 個(gè)過孔;PCB 如(rú)圖示
1。QFN 采(cǎi)用 Sn 進行(háng)表面處(chù)理，四周(zhou)引腳共(gòng)有 48 個，每(měi)個焊盤(pan)直徑爲(wei) 0.28mm，間 距爲(wei) 0.5mm，散熱焊(han)盤尺寸(cùn)爲 4.1*4.1mm。
如圖(tú)示 2. 圖 1，PCB 闆(pan)上的 QFN 焊(han)盤 實驗(yàn) 1---對比兩(liang)款不同(tong)的錫膏(gāo)
圖 2，實驗(yan)所用的(de) QFN 元件 在(zài)實驗中(zhōng)，爲了對(duì)比不同(tóng)的錫膏(gāo)對空洞(dong)的影響(xiǎng)，我們采(cǎi)用了兩(liang)💯種錫膏(gao)，一款來(lai)自日系(xi)錫膏 A， 一(yī)款爲美(měi)系錫膏(gāo) B，均爲業(ye)界最爲(wèi)知名的(de)錫膏公(gōng)司。錫膏(gāo)合🔴金爲(wèi) SAC305 的 4 号粉(fěn)錫膏，鋼(gāng) 網厚度(du)爲 4mil，QFN 散熱(re)焊盤采(cǎi)用 1：1 的方(fang)形開孔(kong)，對比空(kōng)洞結果(guo)如下🙇🏻圖(tu)所♈示，發(fā)現兩款(kuǎn) 錫膏在(zài) QFN 上均表(biǎo)現出較(jiào)大的空(kōng)洞，這可(ke)能由于(yú)散熱焊(hàn)盤較大(da)❄️，錫膏覆(fu)蓋了整(zheng)個焊盤(pán)，影 響了(le) 助焊劑(jì) 的出氣(qi)以及過(guo)孔産生(sheng)的氣體(tǐ)沒辦法(fa)排出氣(qi)，造成較(jiào)大的空(kong)♉洞，即使(shǐ)采用很(hen)好的錫(xī) 膏的無(wu)濟于事(shì)。 錫膏 A(空(kong)洞率 35.7%) 實(shi)驗 2---采用(yong)不同的(de)回流曲(qǔ)線 錫膏(gao) B(空洞率(lü) 37.2%) 考慮到(dao)助焊劑(jì)在回流(liú)時揮發(fā)會産生(sheng)大量的(de)氣體，在(zài)實驗中(zhōng)，我們采(cǎi)用了典(diǎn)型的線(xian)性式曲(qǔ)線和 馬(ma)鞍式平(ping)台曲線(xian)，通過回(hui)流我們(men)發現，采(cǎi)用線性(xing)的曲線(xian)，它們的(de)空洞率(lü)都在 35%～45 之(zhi)間。
大的(de)空洞較(jiao)明顯，相(xiàng)對于平(píng)台式曲(qǔ)線，它的(de)空洞數(shu)量✍️較少(shǎo)。而采用(yòng)平台式(shi)的曲線(xian)，沒有很(hen)大 的空(kōng)洞，但是(shì)小的空(kōng)洞數量(liang)較多。這(zhè)主要是(shi)因爲采(cǎi)用平台(tái)式曲線(xian)，有助于(yú)助焊劑(ji)在熔點(dian)前最 大(da)的揮發(fa)，大部分(fen)揮發性(xing)物質在(zài)熔點前(qián)通過高(gao)溫烘烤(kǎo)蒸發了(le)，所以沒(méi)有很大(da)的空洞(dòng);而線性(xing) 式的曲(qu)線，由于(yú)預熱到(dào)熔點的(de)時間較(jiào)短，大部(bu)分的💃揮(hui)發性物(wu)質還沒(méi)有及時(shi)揮發，到(dao)達熔點(diǎn)的 時候(hòu)，焊料融(rong)化形成(chéng)很大的(de)表面張(zhāng)力，同時(shi)許多氣(qi)體同時(shí)揮發，所(suǒ)以形成(chéng)較大的(de)空洞且(qie)空洞 數(shù)量較小(xiǎo)。
Profile 1
Profile 2
實驗 3---采(cǎi)用不同(tong)的焊盤(pán)開孔方(fang)式
對于(yu)散熱焊(hàn)盤，由于(yú)尺寸較(jiao)大，并且(qiě)有過孔(kǒng)，在回流(liú)時🌈，過孔(kǒng)由于加(jiā)熱産生(sheng)的氣體(ti)以及助(zhù)焊 劑本(ben)身的出(chu)氣由于(yu)沒有通(tōng)道排出(chu)去，容易(yi)産生較(jiào)大的空(kong)洞。在實(shi)驗中，爲(wèi)了幫助(zhù)氣體排(pái)出去， 我(wǒ)們将它(ta)分割爲(wèi)幾塊小(xiǎo)型的焊(hàn)盤，如下(xià)圖所示(shì)，我💰們采(cai)用⛱️三種(zhǒng)開孔方(fāng)式。
開孔(kǒng) 1
開(kāi)孔 3
開孔(kǒng) 1
開孔 2
在另(lìng)一種産(chǎn)品上，我(wo)們對 QFN 采(cai)用同樣(yàng)的 3 種開(kai)孔方式(shi)，空洞表(biǎo)現與上(shàng)面的産(chan)品表現(xian)不一 樣(yàng)，當通道(dao)越多時(shí)空洞率(lǜ)越低，這(zhè)說明對(duì)于某些(xiē) QFN 元件，減(jiǎn)少大焊(han)盤開孔(kong)尺寸增(zēng)加通道(dào) 有助于(yu)改善空(kōng)洞率，但(dan)是對于(yu)某些 QFN 特(te)别是有(yǒu)許多過(guò)孔的💋大(da)焊盤，更(gèng)改鋼網(wǎng)開孔方(fāng)式對 于(yu)空洞而(er)言并沒(méi)有太大(da)的幫助(zhu)。
實驗 4----采(cǎi)用低助(zhu)焊劑含(hán)量的焊(hàn)料
由于(yu)空洞主(zhǔ)要與助(zhù)焊劑出(chū)氣有關(guan)，那麽是(shi)否可采(cai)用低助(zhù)焊劑含(hán)量的焊(han)料?在實(shi)驗中，我(wo)們采 用(yong)相同合(hé)金成份(fen)的預成(chéng)型焊片(pian) preform---SAC305，1%助焊劑(ji)，焊片尺(chi)寸爲 3.67*3.67*0.05mm， 焊(hàn)片與散(san)熱焊盤(pan)的比例(li)爲 89%，對比(bǐ)錫膏中(zhōng) 11.5%的助焊(hàn)劑，在散(sàn)熱焊盤(pán)上采用(yong)預成型(xing)焊盤， 也(ye)就是用(yong) preform 替代錫(xī)膏，期待(dai)以通過(guò)降低助(zhu)焊劑的(de)含量來(lai)減少出(chu)❤️氣來得(dé)到較低(di)的空洞(dòng)率。
在鋼(gang)網開孔(kǒng)上，對于(yú)四周焊(hàn)盤并不(bú)需要進(jin)行任何(hé)🈲的更改(gai)，我們隻(zhi)需對散(sàn)熱焊盤(pán)的開孔(kong)方式進(jìn) 行更改(gǎi)，如下圖(tú)所示，散(sàn)熱焊盤(pán)隻需要(yào)在四周(zhou)各開一(yī)個直徑(jing) 0.015’’的小孔(kǒng)以固定(dìng)焊盤即(jí)可。
在回(hui)流曲線(xian)方面，我(wǒ)們采用(yong)産線實(shi)際生産(chǎn)用的曲(qǔ)線，不做(zuò)任何更(gèng)改，過爐(lu)後通過(guò) x-ray 檢測 看(kàn) QFN 元件空(kōng)洞，如下(xià)圖所示(shì)，空洞率(lü)爲 3～6%，單個(ge)最大空(kong)洞才 0.7%左(zuǒ)右。
補充(chōng)實驗 5-----焊(hàn)片是否(fou)可解決(jue) LGA 元件空(kong)洞?
由于(yú) LGA 元件焊(hàn)盤同樣(yang)較大，在(zai)空洞方(fāng)面也比(bi)較難控(kòng)制，那麽(me)焊片是(shì)否可用(yòng)于 LGA 降低(dī)空 洞?如(rú)下圖所(suǒ)示，LGA 上共(gòng)有 2 種不(bu)同尺寸(cun)的焊盤(pán)，58 個 2mm 直徑(jing)的圓形(xing)📧焊盤和(he) 76 個 1.6mm 直徑(jìng)的圓形(xing)焊盤，焊(han)盤下同(tóng)樣有過(guò)孔。
使用(yong)錫膏回(huí)流，優化(hua)爐溫和(he)鋼網開(kāi)孔，效果(guǒ)均不明(ming)顯，它的(de)⭐空洞率(lü)大概在(zai) 25～45%左右。如(rú) 下圖所(suǒ)示。
如何(hé)在 LGA 使用(yong)焊片呢(ne)?由于它(ta)的焊盤(pán)分别爲(wei) 2mm 和 1.6mm 的圓(yuán)形，考慮(lü)到焊片(piàn)和 LGA 元件(jian)的固定(dìng)問題，我(wo)們在鋼(gāng)網開孔(kong)時，将圓(yuán)形焊盤(pán)開孔設(shè)計📱爲 4 個(ge)小的圓(yuan)形開孔(kǒng)，焊片尺(chi)寸 與焊(han)盤比例(li)爲 0.8，以保(bao)證焊盤(pan)的錫膏(gāo)在固定(dìng)焊片的(de)同時還(hai)能粘住(zhù) LGA 元件。
如(ru)下圖所(suǒ)示，
總結(jié)
對于大(dà)焊盤元(yuán)件，例如(rú) QFN 和 LGA 類元(yuán)件，将焊(hàn)盤切割(gē)成井字(zi)形或切(qiē)割成小(xiǎo)塊，有助(zhù)于降 低(dī)較大尺(chǐ)寸的空(kong)洞，因爲(wei)增加通(tong)道有助(zhu)于氣體(tǐ)的釋放(fang)。在🤟回流(liú)曲線方(fāng)面，需要(yao)考慮不(bú)同錫膏(gao) 中助焊(han)劑揮發(fa)的溫度(dù)，盡量在(zai)回流前(qian)将大部(bù)分的氣(qi)體揮發(fa)有助于(yu)降低較(jiao)大尺寸(cun)的空洞(dòng)，而使 用(yong)線性的(de)回流曲(qǔ)線有助(zhù)于減小(xiǎo)空洞的(de)數量。如(rú)果有過(guo)孔🏃♀️較大(dà)的狀态(tài)下，鋼網(wǎng)開孔和(hé)回流曲(qǔ)線 都無(wú)法降低(di)空洞時(shí)，使用焊(hàn)片可以(yǐ)快速有(yǒu)效的降(jiang)低空洞(dòng)，這‼️主🐪要(yao)是因爲(wèi)焊片的(de)助焊劑(ji)含量相(xiang) 對于錫(xī)膏而言(yan)降低了(le) 5 倍，錫膏(gao)中的助(zhu)焊劑含(hán)有溶劑(jì)，松👈香，增(zeng)稠劑等(deng)造成大(da)量的揮(hui)發物在(zài) 高溫時(shí)容易形(xíng)成較大(da)的空洞(dong)，而焊片(piàn)中的助(zhù)焊劑😘成(cheng)份主要(yao)由👣松香(xiang)組成，不(bú)含溶劑(jì)等物質(zhi)，所 以有(you)效地降(jiàng)低了空(kong)洞。
